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• Juana Sánchez Chigne

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      En muchas aplicaciones los componentes se ven obligados a soportar cargas constantes durante lapsos prolongados, como por ejemplo álabes de rotor de turbina, filamento de tubos y válvulas, cables de acero, etc. En tales circunstancias el material puede continuar deformándose hasta que su utilidad se ve seriamente perjudicada. Tales tipos de deformaciones dependientes del tiempo pueden ser casi imperceptibles, pero crecen durante toda la vida útil de la pieza y llevan a la rotura, aún sin que la carga haya aumentado. Con cargas aplicadas por corto tiempo, como en un ensayo de tracción estático, hay una deformación inicial que aumenta simultáneamente con la carga. Si, bajo cualquier circunstancia, la deformación continúa mientras la carga se mantiene constante, a esta deformación adicional se la conoce como CREEP. El fenómeno conocido como "creep", se define como: "la parte dependiente del tiempo de las deformaciones provenientes de tensiones". Debido a su estrecha conexión con altas temperaturas en aplicaciones importantes, se suele asociar al creep con problemas vinculados con temperaturas elevadas. Esto es cierto únicamente si las temperaturas elevadas se definen relativas al punto de fusión Tm  , el plomo muestra un creep significativo a temperatura ambiente y el asfalto, por ejemplo, a temperaturas menores. En algunos materiales, como el concreto y la madera, la temperatura no es un factor importante. Recientes desarrollos en el análisis del creep se han vinculado con aleaciones resistentes al color como las empleadas en turbinas a gas y plantas de poder a vapor. Como la tendencia en los diseños actuales es de incrementar continuamente la temperatura de servicio, la situación se hace cada vez más crítica.

Fig. 1) Álabes de una turbina, http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulo.html

 


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     El

comportamiento anteriormente descripto se detalla en la Fig. 2, en las que se grafica la

deformación por creep en función del tiempo (para temperatura y carga constantes). En esta ilustración particular la deformación instantánea se ha omitido, para que la deformación mostrada sea enteramente la que resulta del creep.

Fig. 2) Gráfico creep de deformación vs. tiempo, http://www.ing.unlp.edu.ar/aeron/catedras/archivos/Creep.pdf

El tiempo total hasta la rotura se lo divide fenomenológicamente en tres etapas:  La etapa primera está dominada por el creep transitorio. La tasa de deformación comienza con la dejada por la deformación instantánea, que es comparativamente alta, pero rápidamente disminuye hacia un valor constante. Este es el creep primario.  El creep secundario se desarrolla una vez que el creep transitorio ha alcanzado un valor prácticamente constante: la deformación continúa aumentando a una tasa de creep más o menos constante, ecr , bajo la acción de la componente viscosa.

 El creep terciario, la tasa de creep aumenta nuevamente hasta que se llega a la rotura final.

Fig. 3) Influencia del esfuerzo o y la temperatura T sobre el comportamiento al creep.

No siempre aparecen las tres etapas. Si la fractura es frágil, la tercera etapa puede desaparecer completamente. La segunda etapa se hace cada vez menos importante a medida que la tensión o la temperatura aumentan (comparar las curvas A y B de la Fig. 2). Si la tensión o temperatura son lo suficientemente bajas, la segunda etapa se transforma en horizontal ("cero creep viscoso") y se extiende indefinidamente. Debe recalcarse que las altas temperaturas pueden producir otras alteraciones no explicitadas en las curvas, comúnmente no incluidas en los efectos de

creep. Así, los

metales pueden sufrir

transformaciones en las estructuras cristalinas, tal como la transformación en los aceros de ferrita en austenita, recristalización y crecimiento de grano. En plásticos, maderas y cerámicas, las altas temperaturas pueden inducir cambios químicos y aun desintegración (como vimos en temas anteriores). Es más difícil analizar el creep que otros comportamientos mecánicos debido a que su predicción es a largo plazo, por lo cual se debe extrapolar a partir de resultados obtenidos en ensayos de corto tiempo. Debe tenerse en cuenta que mientras un ensayo de creep está limitado usualmente a 1000 horas (6 semanas), las vidas en servicio de los materiales o piezas pueden ser de l0.000 h, 100.000 h, y aún más (350.000 h representa la vida de una planta de poder). Por lo tanto, una comprensión teórica es aún más deseable en creep que en otros tipos de comportamientos, aunque el entendimiento teórico del creep aún no es completo. Una teoría adecuada ha sido desarrollada muy lentamente, los análisis han progresado a lo largo de líneas empíricas, tratando de determinar la mejor relación entre los resultados experimentales disponibles.

Existe una complicación adicional derivada del numero de variables en juego; ellas son: deformación por creep, tiempo, tensión y temperatura. En este análisis se considerará la curva creep tiempo como la variación primaria y se estudiarán los efectos de la tensión y la temperatura sobre ella. Como en otros procesos térmicos, la teoría básica se construye alrededor de la ecuación de Arrhenius:

« ecuación 1 Dado que el creep no es un proceso termodinámico simple, esta ecuación no puede aplicarse sin modificaciones. Si consideramos F como la tasa de creep, ecr , es posible que las "constantes" A y Ea varíen con la temperatura y tensión, así como también con otros factores. Numerosas expresiones se han propuesto para Ea, y A, pero ninguna se ha verificado completamente.

Fig. 4) Curva típica de Creep de deformación vs tiempo a esfuerzo constante y temperatura elevada constante. http://www.utp.edu.co/~publio17/temas_pdf/prop_mecanicas_1.pdf

c  En esta etapa, la tasa de creep disminuye desde un valor grande hasta un valor constante. Esta disminución es ocasionada principalmente por un aumento en la energía de activación requerida, Ea (o una disminución en los mecanismos atómicos que pueden activarse). Para una dada tensión, la variación de la tasa de creep con el tiempo puede ser expresada por: « ecuación 2

donde C1 es una constante y n puede valer entre 0 y 1. Para n = 2/3, esta expresión puede integrarse para obtener la deformación, que estará dada por:

« ecuación 3

que es la ley de Andrade para el creep transitorio. Para n = 0 se llega al caso límite de creep viscoso, que se analizará más adelante. Timoshenko dedujo una expresión empírica diferente:

« ecuación 4 donde C3 y a son constantes. De esta ecuación, la deformación por creep resulta:

« ecuación 5

(para la condición inicial ecr = 0 para t = 0) De hecho, se sabe relativamente poco sobre el creep transitorio. No se ha estudiado tan extensivamente como el creep viscoso porque no es ordinariamente un factor crítico en el diseño. c    Al final de la primera etapa el creep transitorio es prácticamente nulo, y el remanente es casi enteramente viscoso. En este caso, la ecuación para la segunda etapa responde a: « ecuación 6 donde e0 es la intercepción marcada en las Figuras 2, y v0 es la tasa de creep viscoso. De la curva puede deducirse que se trata de la tasa mínima de creep (tmc) (*). Se expresa en cm/cm/h, o más comúnmente en h-1. (*)La tasa mínima de creep aumenta con el incremento de la tensión. Esta variación se expresa comúnmente por:

« ecuación 7 donde n (que es mayor que 1) y B son constantes. La tensión aplicada es o .

c   Se trata del incremento de la tasa que precede a la fractura. Hay dos razones para este incremento:  si el ensayo tiene lugar bajo carga constante, la disminución de la sección transversal provoca el aumento de la tensión verdadera, lo cual a su vez incrementa la tasa de creep (ver ecuación 7). Este incremento pasa a menudo desapercibido hasta que se forma un cuello; a partir de este instante la tasa de creep aumenta rápidamente produciendo el creep terciario. Este tipo de creep terciario puede ser prevenido completamente manteniendo la tensión constante (en vez de la carga); en principio esto puede hacerse disminuyendo la carga en proporción directa a la reducción de área. En tal caso seguiría el creep secundario hasta la fractura, como se señala en la curva A (a trazos) de la Fig. 2.  La otra causa de creep terciario es la acción térmica ya mencionada, la deformación por creep se acelera debido a la disminución de la capacidad del metal de producir "strain hardening". No hay expresiones para el creep terciario. Ê    Las dos más importante son:  Resistencia al creep: las más altas tensiones que un material puede soportar durante un período especificado de tiempo sin deformación excesiva. También se lo denomina "límite de creep".  Resistencia a la rotura por creep: las más altas tensiones que un material puede soportar durante un período especificado de tiempo sin romper. También se lo llama "resistencia a la rotura". Como estas propiedades varían con la temperatura, la misma debe especificarse y mantenerse constante. Por ejemplo: la resistencia al creep requerida por un álabe de turbina de vapor puede ser aquella tensión que produzca 0,20% de creep en 100.000 hs. a 800°C. La tensión mencionada en la precedente definición es generalmente la tensión inicial. Si está involucrada una carga constante, en tracción, la tensión final verdadera será un poco mayor que la tensión inicial. El tiempo es de mayor interés en la determinación de la resistencia al creep o a la rotura por creep es la vida en servicio, medida en miles de horas (a veces también en años). La deformación permitida es la deformación total, es decir, la instantánea más la deformación por creep (se mide en por ciento).

El monto de la deformación permisible depende de la aplicación. Así, para una turbina de reacción sólo una muy pequeña deformación se permite debido a las estrechas tolerancias involucradas, algo así como 0,01% en 2000 hs. En cambio, hasta 2% puede aceptarse en un recipiente a presión, y 4% en un recipiente para aerosol.

Fig. 3) Ensayo de Fluencia Lenta (Creep) - Sistema de aplicación de la carga. http://www.alava-ing.es/ingenieros/productos/ensayos-de-materiales-y-nodestructivos/ensayos-de-materiales/analisis-dinamo---mecanico-dma-dtma/

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 Los ensayos de creep requieren la medición de cuatro variables: tensión, deformación, temperatura y tiempo. La tensión es aplicada por una máquina de ensayo que aplica tanto carga constante como tensión constante. Usualmente el ensayo se realiza bajo carga constante, lo que sólo requiere la aplicación de un peso en forma directa o indirecta, por medio de brazos de palanca a fin de multiplicar la magnitud aplicada. A las precauciones generales de los ensayos

de

tracción, deberán agregarse algunas generales, tales como la eliminación de la

excentricidad, etc. Usualmente se usan las mismas probetas, pero generalmente con extremos prolongados a fin de disponer en un hueco para termocuplas para la medición de la temperatura. Las deformaciones deben medirse con mucha exactitud en los ensayos de creep. Pueden determinarse por medio de dos telescopios móviles que enfocan dos marcas calibradas previamente.

A veces se ensayan las probetas no en aire, sino en sal, metal líquido y otros tipos de baños, al vacío, etc. La prueba comprende las siguientes fases: a) calentamiento gradual de la probeta, hasta alcanzar en unas tres horas la temperatura fijada. b) permanencia de la probeta a dicha temperatura durante el tiempo prefijado. c) aplicación de la carga constante de tracción. d) medición de la fluencia.